基于等效模型電動(dòng)汽車(chē)電磁輻射仿真分析

左凌宇

摘要： 本文提出一種建立等效模型的高效電磁輻射仿真方法，通過(guò)應(yīng)用仿真分析、實(shí)車(chē)測(cè)試的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，從仿真分析的結(jié)果來(lái)看，結(jié)果表現(xiàn)可靠，且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的模型，使得整體仿真效率更加的突出，通過(guò)此有效促進(jìn)車(chē)內(nèi)電磁防護(hù)工作的開(kāi)展，且為相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)制定提供借鑒。

Abstract： This paper proposes an efficient electromagnetic radiation simulation method to establish an equivalent model. It is verified by the simulation analysis and vehicle on board test. From the results of the simulation analysis， the results are reliable， the simplified model makes the overall simulation efficiency more prominent， this effectively promotes the development of electromagnetic protection in the car， and provides a reference for the formulation of relevant radiation standards.

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車(chē)電磁干擾;電磁輻射;電磁兼容;仿真

Key words： electromagnetic interference of electric vehicles;electromagnetic radiation;electromagnetic compatibility;simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.43? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0044-04

1? 電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 DC/DC變換器? 此次研究中的純電動(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器，其功率模塊應(yīng)用IGBT，其在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，保持較高的開(kāi)關(guān)通斷頻率，通常在每秒時(shí)間內(nèi)能夠完成萬(wàn)次以上的開(kāi)關(guān)通斷，而受高頻率的轉(zhuǎn)換影響，使得其在運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電壓/電流變化量，進(jìn)而形成電磁干擾，因此在純電動(dòng)汽車(chē)中該部分結(jié)構(gòu)屬于較為主要的電磁干擾源之一。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)工作的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較大的電磁的干擾，從其干擾方式上表現(xiàn)出來(lái)的差異進(jìn)行分類(lèi)，主要可分為傳導(dǎo)干擾、輻射干擾兩種方式。其中傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生主要由內(nèi)部電路出現(xiàn)共阻抗耦合現(xiàn)象引起，使得相關(guān)干擾信號(hào)順導(dǎo)線作用在與之相連接的電子設(shè)備上;而輻射干擾主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部磁路運(yùn)轉(zhuǎn)工作影響，其會(huì)向周?chē)臻g釋放電磁波，進(jìn)而對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾作用。在這兩種干擾模式影響下，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)表現(xiàn)出較強(qiáng)的電磁干擾性。

2? 模型建立

2.1 車(chē)身模型? 在對(duì)車(chē)身模型進(jìn)行創(chuàng)建的過(guò)程中，常會(huì)受到較多實(shí)際因素影響，如：計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度、運(yùn)行內(nèi)存等，使得創(chuàng)建模型難以在各個(gè)方面精準(zhǔn)控制，因此通常需要對(duì)車(chē)體各部分結(jié)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)娜∩?。從?shí)際模型構(gòu)建來(lái)看，在模型中能夠?qū)?chē)體外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電纜布置、電機(jī)布置等進(jìn)行較好的展現(xiàn)，但是如果將這些信息都在模型中較為精準(zhǔn)的進(jìn)行展現(xiàn)，將會(huì)使得計(jì)算機(jī)的計(jì)算量出現(xiàn)較大幅度增加，進(jìn)而對(duì)后期網(wǎng)格處理產(chǎn)生不良影響，出現(xiàn)處理畸變的情況，甚至?xí)?duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此在進(jìn)行模型構(gòu)建的時(shí)候，可先將車(chē)內(nèi)部存在的一些非電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和車(chē)外部不影響仿真的構(gòu)件進(jìn)行忽略，如：座椅、方向盤(pán)、輪胎、后視鏡等。然后依照此方法應(yīng)用Pro/Engineer構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身，嚴(yán)格依照車(chē)體尺寸要求輸入?yún)?shù)構(gòu)建模型，本次構(gòu)建模型汽車(chē)外觀尺寸為4.554m×1.822m×1.630m。在完成模型創(chuàng)建后，將之導(dǎo)入到CST之中，并對(duì)其做進(jìn)一步的處理。在應(yīng)用Pro/Engineer進(jìn)行模型構(gòu)建的過(guò)程中，創(chuàng)建的各個(gè)面都存在著一定的厚度值，受這些值影響，將會(huì)對(duì)后續(xù)網(wǎng)格剖分和模型計(jì)算產(chǎn)生較大的影響，因此在導(dǎo)入CST后應(yīng)對(duì)其做出處理，僅將外觀表面保留下來(lái)。同時(shí)，在原有模型中還存在曲邊、倒角等細(xì)微處的處理，這些在進(jìn)行仿真時(shí)都會(huì)增大運(yùn)算量，因此在導(dǎo)入CST后應(yīng)將這些不必要的細(xì)小特征進(jìn)行優(yōu)化，在經(jīng)過(guò)處理之后，車(chē)體表面應(yīng)表現(xiàn)為無(wú)間隙完整面。在對(duì)模型進(jìn)行清理簡(jiǎn)化之后，為確保后期電磁輻射仿真能夠順利開(kāi)展進(jìn)行，應(yīng)先針對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行剖分，在進(jìn)行剖分的過(guò)程中，網(wǎng)格尺寸如果越小，劃分將會(huì)顯得更加密集，由此得到的結(jié)果也將更加的準(zhǔn)確，但也對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提出更高的要求，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算;如果網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較為稀疏，則會(huì)在很大程度上減少計(jì)算時(shí)間，但會(huì)在一定程度上影響到計(jì)算的精度。所以在設(shè)置網(wǎng)格尺寸的過(guò)程中，應(yīng)注意結(jié)合實(shí)際情況來(lái)展開(kāi)設(shè)置。在本次研究中為有效降低仿真過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，同時(shí)參考實(shí)際模型進(jìn)行尺寸設(shè)置，最后將模型尺寸設(shè)為0.2m。

2.2 DC/DC變換器等效模型? DC/DC變換器在運(yùn)轉(zhuǎn)工作的過(guò)程中，主要針對(duì)高電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將300V-340V電壓轉(zhuǎn)換成為12V的電壓，然后為電動(dòng)汽車(chē)中的各電子設(shè)備進(jìn)行供電。其功率模塊應(yīng)用IGBT，每秒時(shí)間內(nèi)能夠完成萬(wàn)次以上的開(kāi)關(guān)通斷，高頻率的通斷使得其產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電壓/電流變化量，進(jìn)而造成電磁干擾。在進(jìn)行該部分的模型構(gòu)建時(shí)，將其設(shè)計(jì)成為電偶極子天線模型，同時(shí)將等效模型的長(zhǎng)度控制在1000mm。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)等效模型? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，內(nèi)部磁路會(huì)向周邊敷設(shè)電磁能量，從而在一定范圍內(nèi)形成電磁波，屬于純電動(dòng)汽車(chē)中另外一個(gè)電磁干擾源。本次研究的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)，工作電壓在300V左右，因此在對(duì)之進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真的時(shí)候，同樣設(shè)計(jì)為電偶極子天線模型，且將其長(zhǎng)控制在500mm。

3? 電磁仿真分析

3.1 建模仿真流程? 在針對(duì)整車(chē)進(jìn)行的電磁仿真中，主要應(yīng)用輻射源添加激勵(lì)的方式來(lái)進(jìn)行，然后將車(chē)身模型與輻射源模型完成整合，依照整車(chē)輻射源的實(shí)際位置確定仿真模型。為保證仿真模型整合能夠準(zhǔn)確對(duì)位，應(yīng)用空間坐標(biāo)進(jìn)行定義，其中X軸表示車(chē)體高度;Y軸表示車(chē)體寬度;Z軸表示車(chē)體長(zhǎng)度，本次研究中涉及到的點(diǎn)位都在創(chuàng)建的坐標(biāo)系中定位。

3.2 激勵(lì)源? 依照純電動(dòng)車(chē)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電纜等所在位置，確定激勵(lì)源的輸入坐標(biāo)，具體如表1所示。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿真分析

3.3.1 設(shè)置合適的線路阻抗? 電動(dòng)車(chē)中構(gòu)建的電網(wǎng)會(huì)受到較多因素影響，從而造成線路阻抗產(chǎn)生變化，為了能夠在仿真分析的時(shí)候能夠有效模擬和測(cè)試，通常采用設(shè)置合適穩(wěn)定的線路阻抗來(lái)進(jìn)行模擬，一般在射頻段設(shè)置50Ω網(wǎng)絡(luò)阻抗。

3.3.2 隔離受測(cè)試設(shè)備? 為避免受測(cè)試設(shè)備與電網(wǎng)之間形成相互干擾，在進(jìn)行仿真分析時(shí)需對(duì)二者做相互隔離處理，以此測(cè)試得到結(jié)果才更為準(zhǔn)確。在隔離方式上主要采用添加LISN來(lái)實(shí)現(xiàn)，LISN的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。針對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行等效電路圖構(gòu)建，具體如圖2所示，因?yàn)槿嗵幱趯?duì)稱(chēng)狀態(tài)，因此只需對(duì)其中一相的電路進(jìn)行研究。測(cè)試時(shí)為避免干擾應(yīng)加入LISN。在應(yīng)用CST軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳導(dǎo)干擾仿真時(shí)，將電壓頻率設(shè)定為50Hz，輸入正弦電壓設(shè)為300V。同時(shí)其中其它元件的參數(shù)信息設(shè)置為：R1：9.34Ω、R2：5.51Ω、R3：5.51Ω、L1：0.25H、L2：0.25H、L3：0.23H。從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定情況來(lái)看，要求在測(cè)試傳導(dǎo)干擾的時(shí)候，設(shè)置仿真頻率應(yīng)在30MHz以?xún)?nèi)，從實(shí)際測(cè)試情況來(lái)看，在測(cè)試頻率數(shù)值超過(guò)1000Hz之后，產(chǎn)生的干擾電壓處于極低的狀態(tài)，因此本次研究將仿真測(cè)試頻率控制在0-1000Hz范圍內(nèi)，然后對(duì)干擾電路中電阻R4與R5兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，由此可測(cè)出電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾電壓大小，并獲取到其產(chǎn)生變化情況。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，處于0-1000Hz范圍內(nèi)的電壓脈沖較為平穩(wěn)，整體數(shù)值較低，但在50Hz頻率、980Hz頻率兩個(gè)點(diǎn)位處，出現(xiàn)較大的電壓脈沖，且其中980Hz頻率處產(chǎn)生脈沖最高，達(dá)到0.37V。

3.4 整車(chē)車(chē)內(nèi)電磁輻射仿真

3.4.1 整車(chē)電磁輻射仿真模型? 在進(jìn)行整車(chē)電磁輻射仿真的過(guò)程中，主要涉及到多種模型類(lèi)型：車(chē)體模型、DC/DC變換器模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型等。

3.4.2 仿真結(jié)果分析? 在仿真的過(guò)程中，將仿真頻率分別設(shè)置為100MHz、200MHz、300MHz，觀察車(chē)身表面電流情況，結(jié)果分別為圖3-圖5所示。對(duì)上面不同頻率的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從中發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：①車(chē)載通訊天線釋放出來(lái)的電場(chǎng)輻射值最高;②在汽車(chē)內(nèi)部的前排位置處存在的電場(chǎng)輻射值相較于后排更高，且在駕駛位置處輻射值最大，由這也可看出車(chē)載通訊天線輻射電廠主要作用于車(chē)外，對(duì)車(chē)內(nèi)產(chǎn)生輻射影響較小;③電場(chǎng)輻射強(qiáng)度與干擾源之間距離有直接性關(guān)系。圖6為點(diǎn)A位置處的電場(chǎng)輻射值變化情況。從上面的仿真結(jié)果來(lái)看，①此次研究純電動(dòng)汽車(chē)，其內(nèi)部的最大電場(chǎng)輻射值為1.48V/M;

②在頻率處于80MHz左右時(shí)，車(chē)內(nèi)出現(xiàn)最大輻射情況，因此在選擇該種汽車(chē)時(shí)，應(yīng)做好該頻率段的電磁場(chǎng)屏蔽工作;③在汽車(chē)內(nèi)部，位于駕駛員頭部區(qū)域的電磁輻射相對(duì)較高，且整體呈現(xiàn)出前排電磁輻射大于后排電磁輻射的情況，離主要輻射干擾源位置越近，產(chǎn)生的輻射量越大。

4? 結(jié)語(yǔ)

為了有效提升電動(dòng)汽車(chē)的電磁兼容性能，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)分析電磁干擾的實(shí)際情況，并研究有效的干擾抑制措施，從本次研究實(shí)際結(jié)果來(lái)看，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：①電動(dòng)汽車(chē)在運(yùn)行工作的過(guò)程中，其內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)值大小受水平高度影響，整體呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，高度越高電場(chǎng)值減小越大;②本次研究所采用的建模方法，具有較高的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，模型精度與數(shù)據(jù)都具有較高的可靠性;③在汽車(chē)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)線纜位置釋放出來(lái)的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，相較于其它位置明顯更高，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)該位置的屏蔽處理，如：可適當(dāng)提升其與車(chē)底板之間距離，通過(guò)距離延長(zhǎng)的方式來(lái)達(dá)到降低車(chē)內(nèi)電磁輻射量的目的，從而更好的保障車(chē)內(nèi)人員身體健康。

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